JP2016024951A - Solid-state oxide fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、複数の固体酸化物形の燃料電池セルが積層されている固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell in which a plurality of solid oxide fuel cells are stacked.
固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell、固体電解質形燃料電池ともいう)は、燃料極(アノード):H2+O2−→H2O+2e−、空気極(カソード):(1/2)O2+2e−→O2−の反応により、電気エネルギーを取り出す装置である。電気エネルギーを連続的に取り出すため、反応を連続的に行う必要があり、そのため、アノードガスとしての燃料ガス(例えばH2)およびカソードに供給されるカソードガスとしての空気(O2)等の酸化剤ガスを連続して供給する。固体酸化物形燃料電池においては、十分な電圧を得るために、複数の燃料電池セルが積層されている。それによって、燃料電池(燃料電池スタック)が構成されている。燃料電池スタックは、セラミックスの共焼結によって製作することができるが、焼成時の熱収縮挙動から生じる反りを防止するために、アノードガス流通路の幅およびカソードガス流通路の幅を特定の関係を有するように設けることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 A solid oxide fuel cell (also referred to as SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) is a fuel electrode (anode): H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − , an air electrode (cathode): (1 / 2) A device for extracting electric energy by a reaction of O 2 + 2e − → O 2− . In order to continuously extract electric energy, it is necessary to perform the reaction continuously. Therefore, oxidation of fuel gas (for example, H 2 ) as an anode gas and air (O 2 ) as a cathode gas supplied to the cathode is performed. The agent gas is continuously supplied. In a solid oxide fuel cell, a plurality of fuel cells are stacked in order to obtain a sufficient voltage. Thereby, a fuel cell (fuel cell stack) is configured. Fuel cell stacks can be fabricated by co-sintering ceramics, but the anode gas flow path width and cathode gas flow path width have a specific relationship to prevent warpage resulting from thermal shrinkage behavior during firing. It has been proposed to provide such that (see, for example, Patent Document 1).
また、セラミックスの熱伝導率は比較的低いため、セラミックスを用いた燃料電池セルの積層数を増加させると、発電によって生じた熱が燃料電池スタックの中心付近にこもり易くなる。そのため、燃料電池セル面において熱分布が生じ、熱応力によるセルの割れが生じるおそれがあった。他方、セル間に金属膜や金属板などの金属層を配置することにより、熱分布の不均一性を緩和する方法も知られている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, since the thermal conductivity of ceramics is relatively low, if the number of fuel cell stacks using ceramics is increased, the heat generated by power generation tends to stay in the vicinity of the center of the fuel cell stack. For this reason, heat distribution is generated on the surface of the fuel cell, and there is a possibility that the cell is cracked due to thermal stress. On the other hand, a method of reducing nonuniformity of heat distribution by arranging a metal layer such as a metal film or a metal plate between cells is also known (see, for example, Patent Document 2).
この場合には、熱応力による影響を少なくすることができる。しかしながら、金属とセラミックスとの熱膨張係数がかなり異なるため、金属とセラミックスとの間での剥離が生じるおそれがあった。そして、前記の方法では、金属とセラミックスとが直接接触することによって電気的接続が達成されていたため、上記のような剥がれが生じると、電気的接続が絶たれてしまうという問題があった。 In this case, the influence of thermal stress can be reduced. However, since the thermal expansion coefficients of the metal and the ceramic are considerably different, there is a possibility that separation between the metal and the ceramic occurs. And in the said method, since the electrical connection was achieved by the metal and ceramics contacting directly, when the above peeling occurred, there existed a problem that an electrical connection will be interrupted.
本発明は上記問題点を解決するものであり、熱サイクルが加わった場合などに層間の剥離などが生じたとしても、層間の電気的接続を維持することができ、電気的接続の信頼性が高められている、固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and even when peeling between layers occurs when a thermal cycle is applied, the electrical connection between the layers can be maintained, and the reliability of the electrical connection is improved. An object is to provide an enhanced solid oxide fuel cell.
上記目的を達成するために、本発明の固体酸化物形燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層されている構造を有する。本発明の固体酸化物形燃料電池は、積層されている複数の固体酸化物形燃料電池セルと、燃料電池セル同士が積層されている部分において、一方の燃料電池セルと、他方の燃料電池セルとの間に配置されている金属層と、前記金属層と、前記燃料電池セルとを電気的に接続するように前記金属層と前記燃料電池セルとの間に配置されている導電材層とを備え、
前記導電材層は、気孔率の小さい緻密導電材からなる緻密導電材層と、気孔率の大きい多孔質導電材からなる多孔質導電材層とを組み合わせて構成されており、
前記緻密導電材層は、前記燃料電池セルと前記金属層とを電気的に接続しており、
前記緻密導電材層と前記多孔質導電材層とは、前記燃料電池セル側の接続面および前記金属層側の接続面において、並列かつ交互に複数並ぶように配置されている。
In order to achieve the above object, the solid oxide fuel cell of the present invention has a structure in which a plurality of fuel cells are stacked. The solid oxide fuel cell of the present invention includes a plurality of stacked solid oxide fuel cells, and one fuel cell and the other fuel cell in a portion where the fuel cells are stacked. A conductive layer disposed between the metal layer and the fuel cell so as to electrically connect the metal layer and the fuel cell. With
The conductive material layer is configured by combining a dense conductive material layer made of a dense conductive material having a low porosity and a porous conductive material layer made of a porous conductive material having a high porosity,
The dense conductive material layer electrically connects the fuel cell and the metal layer,
The dense conductive material layer and the porous conductive material layer are arranged in parallel and alternately in a plurality on the connection surface on the fuel cell side and the connection surface on the metal layer side.
本発明の固体酸化物形燃料電池のある特定の局面においては、前記多孔質導電材層間において、前記緻密導電材層は、前記燃料電池セルと前記金属層とを結ぶ方向に間隙を有している。 In a specific aspect of the solid oxide fuel cell according to the present invention, between the porous conductive material layers, the dense conductive material layer has a gap in a direction connecting the fuel cell and the metal layer. Yes.
本発明の固体酸化物形燃料電池のさらに他の特定の局面においては、前記間隙部分には、気孔率の大きい多孔質導電材が配されている。 In still another specific aspect of the solid oxide fuel cell of the present invention, a porous conductive material having a high porosity is disposed in the gap portion.
本発明の固体酸化物形燃料電池において、前記多孔質導電材の気孔率は、20〜90%の範囲内にあることが好ましい。 In the solid oxide fuel cell of the present invention, the porosity of the porous conductive material is preferably in the range of 20 to 90%.
本発明の固体酸化物形燃料電池において、前記多孔質導電材は、LaSrMnO3、LaSrCoO3、LaSrCoFeO3、MnCoO3、SmSrCoO3、LaCaMnO3、LaCaCoO3、LaCaCoFeO3、LaNiFeO3、(LaSr)2NiO4からなる群から選択された少なくとも1種の材料を主体とする導電セラミックスであることが好ましい。 In the solid oxide fuel cell of the present invention, the porous conductive material is, LaSrMnO 3, LaSrCoO 3, LaSrCoFeO 3, MnCoO 3, SmSrCoO 3, LaCaMnO 3, LaCaCoO 3, LaCaCoFeO 3, LaNiFeO 3, (LaSr) 2 NiO Preferably, the conductive ceramic is mainly composed of at least one material selected from the group consisting of four .
本発明の固体酸化物形燃料電池において、前記緻密導電材の気孔率は、0〜20%の範囲内にあることが好ましい。 In the solid oxide fuel cell of the present invention, the dense conductive material preferably has a porosity in the range of 0 to 20%.
本発明の固体酸化物形燃料電池において、前記緻密導電材は、LaSrMnO3、LaSrCoO3、LaSrCoFeO3、MnCoO3、SmSrCoO3、LaCaMnO3、LaCaCoO3、LaCaCoFeO3、LaNiFeO3、(LaSr)2NiO4からなる群から選択された少なくとも1種の材料を主体とする導電セラミックス、または、Pt、Pd、Ag、Au、Ru、Rh、Ni、Fe、Crおよびこれらの金属を主体とする合金からなる群から選択された少なくとも1種の金属を主体とすることが好ましい。
In the solid oxide fuel cell of the present invention, the dense conductive material, LaSrMnO 3, LaSrCoO 3, LaSrCoFeO 3, MnCoO 3, SmSrCoO 3, LaCaMnO 3, LaCaCoO 3, LaCaCoFeO 3, LaNiFeO 3, (LaSr) 2
本発明の固体酸化物形燃料電池によれば、熱サイクルが加わり、導電材層と金属層および/または燃料電池セルとの間に部分的に剥離が起こったとしても、燃料電池セルと金属層とを電気的に接続する緻密導電材層は、接続面において面方向に延びるように形成されているため、導電パス自体は失われない。したがって、導電材層は、金属層および燃料電池セルとの間で電気的な接続を維持することができる。よって、電気的接続の信頼性を高めることができる。 According to the solid oxide fuel cell of the present invention, even if a thermal cycle is applied and partial delamination occurs between the conductive material layer and the metal layer and / or the fuel cell, the fuel cell and the metal layer Since the dense conductive material layer that electrically connects the two is formed to extend in the surface direction on the connection surface, the conductive path itself is not lost. Therefore, the conductive material layer can maintain an electrical connection between the metal layer and the fuel battery cell. Therefore, the reliability of electrical connection can be improved.
この発明の上述の目的,その他の目的,特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。 The above object, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of embodiments with reference to the drawings.
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定および制限されない。なお、以下で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited or limited to the following examples. The drawings referred to below are schematically described, and the ratio of the dimensions of objects drawn in the drawings may be different from the ratio of dimensions of actual objects. The dimensional ratio of the object may be different between the drawings.
(第1の実施形態)
図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池の略図的正面断面図である。燃料電池1においては、上方の燃料電池セル2と、下方の燃料電池セル2とが接合部4を介して接合されている。図1(a)においては、2つの燃料電池セル2,2を示したが、本実施形態においては、さらに他の接合部4を介して両側の燃料電池セル2,2が積層されている構造がさらに連ねられている。
(First embodiment)
FIG. 1A is a schematic front sectional view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. In the fuel cell 1, the
また、図1(a)においては、燃料電池セル2,2は、その設けられている位置のみを略図的に示している。図2および図3を参照して、1つの燃料電池セル2の詳細を説明する。
Moreover, in Fig.1 (a), only the position in which the
図2に示すように、燃料電池セル2は、固体酸化物電解質層7を有する。固体酸化物電解質層7は、イオン導電性が高いセラミックスからなる。このような材料としては、例えば、安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニアなどを挙げることができる。より具体的には、YやScにより安定化されたジルコニアが挙げられる。安定化ジルコニアとしては、例えば、10モル%イットリア安定化ジルコニア(10YSZ)、11モル%スカンジア安定化ジルコニア(11ScSZ)などを挙げることができる。部分安定化ジルコニアとしては、例えば、3モル%イットリア部分安定化ジルコニア(3YSZ)などを挙げることができる。
As shown in FIG. 2, the
なお、上記固体酸化物電解質層7を構成する材料は上記に限定されず、SmやGdがドープされたセリア系酸化物や、La0.8Sr0.2Ga0.8Me0.2O(3−δ)などのペロブスカイト型酸化物などにより形成してもよい。なお、δは、3未満の正の数を示す。 Incidentally, the material constituting the solid oxide electrolyte layer 7 is not limited to the above, Sm and Gd-doped ceria-based oxide and, La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Me 0.2 O You may form by perovskite type oxides, such as (3-delta) . Δ represents a positive number less than 3.
固体酸化物電解質層7には、貫通孔7aと貫通孔7bとが設けられている。貫通孔7aは、燃料ガス流路を構成している。貫通孔7bは、酸化剤ガスとしての空気を通す空気流路を構成している。
The solid oxide electrolyte layer 7 is provided with a through
固体酸化物電解質層7の上方に燃料極層6が積層されている。燃料極層6は、Niを含むイットリア安定化ジルコニアや、Niを含むスカンジア安定化ジルコニアなどにより構成することができる。燃料極層6には、燃料ガス流路を構成するスリット6aと、空気流路を構成するスリット6bとが設けられている。
A
上記燃料極層6上にセパレータ5が積層されている。セパレータ5は、安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニアなどにより形成され得る。セパレータ5に、貫通孔5a,5bが形成されている。貫通孔5aは、燃料ガス流路を構成している。貫通孔5bは、空気流路を構成している。
A
他方、セパレータ5には、電気を取り出すための複数本のインターコネクタ5cがセパレータ5の上面から下面を貫くように設けられている。すなわち、ビアホール導体により各インターコネクタ5cが形成されている。複数本のインターコネクタ5cは、上記燃料極層6に電気的に接続されている。
On the other hand, the
インターコネクタ5cの材質は、特に限定されない。インターコネクタ5cは、例えば、Ag−Pd合金、Ag−Pt合金、アルカリ土類金属を添加したランタンクロマイト(LaCrO3)、ランタンフェレート(LaFeO3)や、ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM:Lanthanum Strontium Manganite)等により形成することができる。
The material of the
他方、固体酸化物電解質層7の下方には、空気極層8およびセパレータ9が積層されている。空気極層8には、燃料ガス流路を構成するスリット8aと、空気流路を構成するスリット8bとが設けられている。空気極層8は、電子伝導性が高く、かつ多孔質の材料からなることが好ましい。このような空気極層8は、例えば、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、Gdがドープされたセリア、Snがドープされた酸化インジウム、PrCoO3系酸化物、LaCoO系酸化物、またはLaMoO3系酸化物などにより形成することができる。LaMoO3系酸化物としては、例えば、La0.8Sr0.2MnO3(以下においてLSMと略す)や、La0.6Ca0.4MnO3などが挙げられる。
On the other hand, an air electrode layer 8 and a
セパレータ9はセパレータ5と同様に構成されている。従って、燃料ガス流路を構成する貫通孔9aと、空気流路を構成する貫通孔9bと、複数本のインターコネクタ9cとを有する。
The
燃料電池セル2は、各構成部材について、上記に示す材料をバインダーおよび溶媒と混合、成形して、所定の形状のグリーンシートとして準備し、これらグリーンシートを積層して圧着する積層圧着工程と、得られた積層体を共焼結することによって一体化する焼成工程を経て、得ることができる。
The
図3は、この単一の燃料電池セル2の平面図を示す。図3に示すように燃料電池セル2は、平面視した場合、十字状の流路構成部2aと、流路構成部2aで区画された4つの発電部2b,2c,2d,2eとを有する。そして、発電部2b〜2eの上面には上記インターコネクタ5cが露出している。
FIG. 3 shows a plan view of the
本実施形態の燃料電池1においては、このような燃料電池セル2が複数積層されている。図4は、燃料電池1を示す斜視図である。図4に示すように、燃料電池1においては、燃料電池セル2,2,2は接合部4,4を介して積層されている。
In the fuel cell 1 of the present embodiment, a plurality of
図1(a)に示すように、本実施形態の燃料電池1の特徴は、燃料電池セル2と燃料電池セル2とを接合している接合部4の構成にある。
As shown in FIG. 1A, the fuel cell 1 according to the present embodiment is characterized by the structure of a joint 4 that joins the
接合部4は、上方の燃料電池セル2と下方の燃料電池セル2とを物理的に接合し一体化するとともに、上方の燃料電池セル2と下方の燃料電池セル2とを電気的に直列に接続している。接合部4には、熱を中央に集中させないため、および、上方の燃料電池セル2と下方の燃料電池セル2とを電気的に接続するために、金属層10が設けられている。
The joint 4 physically joins and integrates the
金属層10は、本実施形態においては、金属板からなる。この金属板を構成する材料としては、特に限定されないが、燃料電池セル2を構成しているセラミックスと熱膨張係数が近い金属を用いることが望ましい。このような材料としては、好ましくは、フェライト系ステンレスを用いることができる。フェライト系ステンレスの熱膨張係数は、ジルコニアと熱膨張係数が近い。また、フェライト系ステンレスは耐熱性に優れている。従って、フェライト系ステンレスが好ましい。
In the present embodiment, the
もっとも、上記金属層10を構成する材料は特に限定されず、他の金属を用いてもよい。
But the material which comprises the said
金属層10の上面および下面には、それぞれ導電材層11が設けられている。導電材層11は、金属層10と、燃料電池セル2とを電気的に接続するように金属層10と燃料電池セル2との間に配置される。
Conductive material layers 11 are respectively provided on the upper surface and the lower surface of the
導電材層11は、気孔率の小さい緻密導電材からなる緻密導電材層11aと、気孔率の大きい多孔質導電材からなる多孔質導電材層11bとを組み合わせて構成されている。緻密導電材層11aと多孔質導電材層11bとは、図1(a)に示すように、燃料電池セル2側の接続面および金属層10の接続面において、並列かつ交互に複数並ぶように配置されている。図1(b)は、導電材層11を図1(a)において上面から見た平面図である。図1(b)に示すように、緻密導電材層11aは燃料電池セル2との接続面および金属層10との接続面において面方向に延びるように形成されている。緻密導電材層11aは、主に燃料電池セル2と金属層10とを電気的に接続する役割を果たし、多孔質導電材層11bは、主に緻密導電材層11aの形状を保持する役割を果たす。
The
図5に、導電材層11を図1(b)においてI−I方向に見た断面図を示す。例えば、熱サイクルが加わった場合などに、導電材層11と金属層10および/または燃料電池セル2との間に部分的に剥離が起こることがある。図5においては、導電材層11と金属層10との間に部分的な剥離部(空隙)14が生じた場合を示している。このように導電材層11と金属層10との間に剥離部14が生じても、平面方向(図中のY軸方向)への導電パスが保持されるために、電気的接続の信頼性をより高くすることが可能である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the
比較のために、図6(a)および(b)には、導電材層21が緻密導電材21aと多孔質導電材21bとの組み合わせで形成され、緻密導電材21aが、上面(図1(b)と同じ方向)から見た際にドット状となるように形成されている場合(比較例)を示す。図6(a)は導電材層21を上面から見た平面図、図6(b)は、導電材層21を図6(a)においてII−II方向に見た断面図を示す。電気的接続を担う部分がドット状に形成されている導電材層21の場合には、導電材層21と金属層10との間に剥離部24が生じると、導通が部分的に途切れてしまう場合がある。よって、燃料電池1においては、上記のように緻密導電材層11aと多孔質導電材層11bとを、緻密導電材層11aが金属層10および/または燃料電池セル2との接続面において面方向に延びるように形成することで、電気的接続の信頼性を効果的に高めることができる。
For comparison, in FIGS. 6A and 6B, a
図6の構成の導電材層21の場合で、パワーサイクル試験(2000時間、約1000サイクル、周囲温度約750℃)を行うと、劣化率が、例えば3%程度であるとき、本実施形態の構成の導電材層11を用いると、同条件での劣化率は2%程度まで抑制可能になる。
In the case of the
本実施形態においては、導電材層11を構成する材料は、導電セラミックス材料であるLaSrMnO3(LSM:Lanthanum Strontium Manganite)からなる。多孔質導電材層11bは、LSMにカーボン等の消失材を含有させて焼結を行うことによって、焼結時に前記消失材を消失させて形成することができる。このように、同一の材料の緻密性を変えることで緻密導電材層11aおよび多孔質導電材層11bを形成することができる。あるいは、緻密導電材層11aと多孔質導電材層11bとを、異なる材料を用いて形成することもできる。
In the present embodiment, the material constituting the
もっとも、上記導電材層11を構成する材料は特に限定されず、良好な導電性を有していればよい。例えば、導電セラミックス材料であれば、ABO3あるいはA2BO4(A:希土類を1種含む、B:遷移元素を1種含む)の結晶構造を有する材料があげられる。具体的には、前述のLSM、LaSrCoO3、LaSrCoFeO3、MnCoO3、SmSrCoO3、LaCaMnO3、LaCaCoO3、LaCaCoFeO3、LaNiFeO3、(LaSr)2NiO4などを使用することができる。これらの材料は、電気伝導性を持つため、導電材層11とすることで燃料電池セル間の電気抵抗を小さくすることができ、スタック特性を向上させることができる。
But the material which comprises the said electrically-
緻密導電材層11aは、前記の導電セラミックス材料の他に、Pt、Pd、Ag、Au、Ru、Rh、Ni、Fe、Crおよびこれらの金属を主体とする合金からなる群から選択された少なくとも1種の金属を主体とすることも好ましい。これらは、導電率の高い材料であるため、緻密導電材層11aとすることでセル間の電気抵抗を小さくすることができ、スタック特性を向上させることができる。なお、本明細書において、主体とするとは、1/2以上を占めることを意味する。
The dense
多孔質導電材の気孔率は、20〜90%の範囲内にあることが好ましく、より好ましくは40〜80%の範囲内である。また、緻密導電材の気孔率は、0%であることが最も好ましいが、0〜20%の範囲内にあればよく、好ましくは0〜10%の範囲内である。ここで、気孔率とは、焼結前の状態で算出される気孔率を意味し、導電材層を形成する際の、消失材体積が全体の体積に占める割合によって定義される値である。 The porosity of the porous conductive material is preferably in the range of 20 to 90%, more preferably in the range of 40 to 80%. Further, the porosity of the dense conductive material is most preferably 0%, but it may be in the range of 0 to 20%, preferably in the range of 0 to 10%. Here, the porosity means the porosity calculated in the state before sintering, and is a value defined by the ratio of the lost material volume to the total volume when the conductive material layer is formed.
多孔質導電材の気孔率が前記範囲内にあると、スタック時における燃料電池セル2および金属層10の凹凸に追従することができ、好ましい。また、緻密導電材の気孔率が前記範囲内にあると、電気伝導率を高めることができ、好ましい。
When the porosity of the porous conductive material is within the above range, it is possible to follow the unevenness of the
導電材層11は、例えば、異なる焼結性を有する導電セラミックスシートを交互に重ね合わせたものを共焼結して、または、導電セラミックスシートと金属シートとを交互に重ね合わせたものを共焼結して作製することができる。
For example, the
導電材層11を構成する各層の幅は、緻密導電材層11aは0.1〜0.5mmの範囲内に、多孔質導電材層11bは0.3〜1.0mmの範囲内にあることが好ましい。また、緻密導電材層11aの幅と多孔質導電材層11bの幅との比率は、1:3〜1:10の範囲内にあることが好ましい。また、導電材層11の導電率は高いほどよく、緻密導電材層11aの固有面積抵抗は、15mΩcm2以下であることが好ましく、多孔質導電材層11bの固有面積抵抗は、20mΩcm2以下であることが好ましい。
The width of each layer constituting the
さらに、本実施形態においては、接合部4は、上記発電部2b,2c,2d,2eを電気的に接続している接合部とは別の領域において、接着材層12およびスペーサ13の積層構造を有する。ここで、スペーサ13は必ずしも設けられなくともよいが、燃料電池セル2,2間の距離が大きい場合、接着を容易とするために用いることが望ましい。このようなスペーサ13を構成する材料としては、特に限定されないが、燃料電池セル2を構成しているセラミックスと熱膨張係数が近い材料が望ましい。接着材層12を構成する材料は、特に限定されないが、燃料電池セル2,2間または燃料電池セル2とスペーサ13との間で良好な接着性を発現する材料が望ましく、例えば、結晶化ガラス等を用いることができる。
Furthermore, in the present embodiment, the
本実施形態において、固体酸化物形燃料電池1は、焼成済みの燃料電池セル2(セルスタック)と金属層10およびスペーサ13との間に、成形した導電材層11および接着材層12を挟むように配置して、上から荷重をかけた状態で熱処理を行うことで得ることができる。
In the present embodiment, the solid oxide fuel cell 1 sandwiches the molded
(第2の実施形態)
図7は、本発明の第2の実施形態の燃料電池に用いられている導電材層を上面から見た平面図である。本実施形態においては、緻密導電材層11aは、多孔質導電材層11b間において、燃料電池セル2と金属層10とを結ぶ方向に間隙15を有している。すなわち、緻密導電材層11aを、多孔質導電材層11bの端部から端部まで連続して設けず、一定の長さで区切るように配置する。このような態様とすることで、焼結時の収縮によるクラックの発生を抑制することが可能となる。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a plan view of the conductive material layer used in the fuel cell according to the second embodiment of the present invention as seen from above. In the present embodiment, the dense
(第3の実施形態)
図8は、本発明の第3の実施形態の燃料電池に用いられている導電材層を上面から見た平面図である。本実施形態においては、緻密導電材層11aは、前記第2の実施形態と同様に、間隙15を有して設けられている。そして、間隙15の位置に対応するように、多孔質導電材を配している。このように、緻密導電材層11aを区切って形成した部分にも導電セラミックス等からなる多孔質導電材を配することで、緻密導電材層11aを固定して、さらに高い電気的接続の信頼性を実現することが可能となる。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a plan view of the conductive material layer used in the fuel cell according to the third embodiment of the present invention as seen from above. In the present embodiment, the dense
このように、金属層と燃料電池セルとを電気的に接続する導電材層を設け、この導電材層を特定の構造とすることで、熱サイクルが加わった場合などに層間の剥離などが生じたとしても、層間の電気的接続を維持することができ、電気的接続の信頼性が高められている、固体酸化物形燃料電池を得ることができる。 In this way, by providing a conductive material layer that electrically connects the metal layer and the fuel cell, and making this conductive material layer have a specific structure, delamination between layers occurs when a thermal cycle is applied. Even so, it is possible to obtain a solid oxide fuel cell in which the electrical connection between the layers can be maintained and the reliability of the electrical connection is enhanced.
1…燃料電池
2…燃料電池セル
2a 流路構成部
2b,2c,2d,2e 発電部
4 接合部
5 セパレータ
5a,5b 貫通孔
5c インターコネクタ
6 燃料極層
6a,6b スリット
7 固体酸化物電解質層
7a,7b 貫通孔
8 空気極層
8a,8b スリット
9 セパレータ
9a,9b 貫通孔
9c インターコネクタ
10 金属層
11 導電材層
11a 緻密導電材層
11b 多孔質導電材層
12 接着材層
13 スペーサ
14,24 剥離部
15 間隙
21 導電材層
21a 緻密導電材
21b 多孔質導電材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (7)
積層されている複数の固体酸化物形燃料電池セルと、
燃料電池セル同士が積層されている部分において、一方の燃料電池セルと、他方の燃料電池セルとの間に配置されている金属層と、
前記金属層と、前記燃料電池セルとを電気的に接続するように前記金属層と前記燃料電池セルとの間に配置されている導電材層とを備え、
前記導電材層は、気孔率の小さい緻密導電材からなる緻密導電材層と、気孔率の大きい多孔質導電材からなる多孔質導電材層とを組み合わせて構成されており、
前記緻密導電材層は、前記燃料電池セルと前記金属層とを電気的に接続しており、
前記緻密導電材層と前記多孔質導電材層とは、前記燃料電池セル側の接続面および前記金属層側の接続面において、並列かつ交互に複数並ぶように配置されている、固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell having a structure in which a plurality of fuel cells are stacked,
A plurality of stacked solid oxide fuel cells, and
In the portion where the fuel cells are stacked, a metal layer disposed between one fuel cell and the other fuel cell,
A conductive material layer disposed between the metal layer and the fuel cell so as to electrically connect the metal layer and the fuel cell;
The conductive material layer is configured by combining a dense conductive material layer made of a dense conductive material having a low porosity and a porous conductive material layer made of a porous conductive material having a high porosity,
The dense conductive material layer electrically connects the fuel cell and the metal layer,
The dense conductive material layer and the porous conductive material layer are arranged in parallel and alternately in a plurality on the connection surface on the fuel cell side and the connection surface on the metal layer side. Fuel cell.
The dense conductive material, LaSrMnO 3, LaSrCoO 3, LaSrCoFeO 3, MnCoO 3, SmSrCoO 3, LaCaMnO 3, LaCaCoO 3, LaCaCoFeO 3, LaNiFeO 3, at least one selected from the group consisting of (LaSr) 2 NiO 4 Conductive ceramic mainly composed of material, or mainly composed of at least one metal selected from the group consisting of Pt, Pd, Ag, Au, Ru, Rh, Ni, Fe, Cr and alloys composed mainly of these metals The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6.
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002203579A (en) * | 2000-12-28 | 2002-07-19 | Mitsubishi Materials Corp | Fuel cell |
JP2004319290A (en) * | 2003-04-16 | 2004-11-11 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Solid electrolyte fuel cell |
JP2010067592A (en) * | 2008-09-08 | 2010-03-25 | Korea Advanced Inst Of Sci Technol | Metal support and solid oxide fuel cell containing it |
-
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002203579A (en) * | 2000-12-28 | 2002-07-19 | Mitsubishi Materials Corp | Fuel cell |
JP2004319290A (en) * | 2003-04-16 | 2004-11-11 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Solid electrolyte fuel cell |
JP2010067592A (en) * | 2008-09-08 | 2010-03-25 | Korea Advanced Inst Of Sci Technol | Metal support and solid oxide fuel cell containing it |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024150467A1 (en) * | 2023-01-10 | 2024-07-18 | 住友電気工業株式会社 | Solid electrochemical device |
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